myopathie et maladies mitochondriale

Présentation clinique

Compte tenu du caractère ubiquitaire de la phosphorylation oxydative, un déficit de la chaîne respiratoire mitochondriale doit être évoqué chez un patient présentant a) des symptômes neuromusculaires et/ou non neuromusculaires inexpliqués, b) impliquant des organes apparemment sans relation, c) d'évolution rapidement progressive.Bien que la maladie puisse théoriquement commencer à n'importe quel âge, un début précoce est souvent observé avant l’âge de deux ans. Le tableau résume les signes cliniques les plus fréquemment rencontrés. Quel que soit l'âge de début et le signe d'appel, la caractéristique principale de ce groupe d’affections est le nombre croissant de tissus atteints au cours de la maladie. L'atteinte multiorgane est constante et le système nerveux central est presque toujours impliqué aux stades tardifs de la maladie.
Certaines associations cliniques sont particulièrement fréquentes à certains âges et ont été isolées comme des entités distinctes. Cependant, le chevauchement des signes cliniques est souvent tel qu’il rend difficile la classification syndromique. Ainsi, les tentatives pour associer tel profil clinique à tel syndrome particulier ou déterminer les limites entre les syndromes n’ont-ils que peu d’intérêt. Il est plus utile de retenir qu'un déficit de la chaîne respiratoire doit être évoqué devant une association inexpliquée de symptômes d'évolution progressive et impliquant des organes ou tissus non apparentés, quel que soit l'âge de début de la maladie et la nature du signe d'appel.

La pertubation métabolique

La chaîne respiratoire mitochondriale est constituée de cinq complexes multi-enzymatiques localisés dans la membrane interne. Un déficit enzymatique de la chaîne respiratoire provoque une perturbation profonde des équilibres d'oxydo-réduction cytoplasmiques et mitochondriaux par accumulation d'équivalents réduits (NADH, FADH). Cette accumulation entraîne une diminution secondaire de l’activité des enzymes du cycle de Krebs. Dans la mitochondrie, cette accumulation de NADH déplace l’équilibre acétoacétate/3-hydroxybutyrate vers ce dernier entraînant une élévation du rapport 3-hydroxybutyrate/acétoacétate. De même, dans le cytoplasme, le déplacement de l’équilibre pyruvate/lactate vers ce dernier élève le rapport lactate/pyruvate avec une augmentation secondaire de la concentration du lactate dans le plasma.
En résumé, une hyperlactacidémie persistante avec perturbation des équilibres d’oxydo-réduction est une indication formelle d'exploration enzymologique de la chaîne respiratoire.

Dépistage enzymatique

L'existence de rapports d'oxydoréduction plasmatiques anormaux et/ou d'une atteinte multisystémique doit conduire à des études enzymatiques de la chaîne respiratoire mitochondriale. Ces études comportent deux méthodes de dépistage différentes fournissant des indications indé- pendantes : des études polarographiques et des études de spectrophotométrie.
Les études polarographiques permettent de mesurer la consommation d'oxygène par des fractions enrichies en mitochondries à l’aide d’une électrode de Clark en présence de différents substrats. Ces études permettent de mesurer l’activité de la chaîne respiratoire dans son ensemble.
Ces techniques requéraient il y a encore quelques années des quantités de muscle de l'ordre du gramme (environ 2 g), mais des miniaturisations récentes permettent d'obtenir des préparations enrichies en mitochondries à partir de petites biopsies musculaires (100-200 mg de muscle prélevés sous anesthésie locale) ce qui permet des études polarographiques chez de très jeunes enfants. Il est également possible de faire des études polarographiques sur les lymphocytes circulants ou sur des cellules en culture perméabilisées par un détergent, test non invasif et reproductible. Une limite importante de cette technique est la nécessité de disposer d’un matériel frais car les études polarographiques sont impossibles sur tissu congelé.
Les études spectrophotométriques permettent de mesurer les activités des complexes de la chaîne respiratoire seuls ou par groupe en utilisant des donneurs ou des accepteurs d'électrons spécifiques. Il n'est alors pas nécessaire d'isoler les mitochondries. En conséquence, la quantité de matériel nécessaire est beaucoup plus faible (10-20 mg) et peut être obtenue par biopsie à l'aiguille (foie, rein) ou même par biopsie endomyocardique. Il est cependant indispensable que les prélèvements soient immédiatement congelés et maintenus en permanence dans l'azote liquide (ou au pire à - 80 °C), les enzymes de la chaîne respiratoire étant très vite dégradées au cours d’une mauvaise conservation.
Pour chaque malade, la question se pose de savoir quel tissu doit être étudié. A priori, il s’agit du tissu cliniquement atteint. Ainsi, lorsque le muscle strié est atteint (myopathie), l'étude enzymologique se fera sur une microbiopsie du deltoïde. Dans le cas où le système hématopoïétique est atteint (syndrome de Pearson), la chaîne respiratoire sera étudiée sur des lymphocytes circulants. Des atteintes s'exprimant de façon prédominante dans le foie ou le cœur pourront être étudiées après biopsie hépatique à l'aiguille ou biopsie endomyocardique. Cependant, quand les organes atteints sont d'accès difficile (cerveau, rétine, système endocrinien, muscle lisse) les investigations ne pourront se faire que sur des tissus périphériques, (muscle strié, lymphocytes, fibroblastes en culture). Il est du reste important de noter que dans notre expérience 50 % des déficits exprimés dans le muscle s’expriment également dans les lymphocytes. Quel que soit l'organe atteint, il est essentiel de prélever une biopsie cutanée des patients (même immédiatement après le décès) pour de futures investigations enzymologiques ou moléculaires sur fibroblastes en culture.
Toutes ces investigations in vitro de la chaîne respiratoire restent néanmoins délicates techniquement, quel que soit le tissu testé.

Études histopathologiques

La caractéristique histologique des myopathies mitochondriales est la présence de fibres rouges déchiquetées (ragged red fibers : RRF) mises en évidence par coloration au trichrome de Gomori qui montre l’accumulation de mitochondries anormales à la périphérie des fibres musculaires. Cependant, l’absence de RRF ne permet pas d’éliminer le diagnostic de mitochondriopathie. Par ailleurs, les études histo-enzymologiques permettent d’analyser la distribution des mitochondries et d’évaluer leur répartition au niveau de chaque fibre. Les colorations histochimiques permettent d'estimer la sévérité et l'hétérogénéité d'un déficit enzymatique dans une même section musculaire. L'intégrité myofibrillaire, le type prédominant de fibres et leur distribution peuvent être évalués par une coloration mesurant l’ATPase. Enfin, les anticorps polyclonaux et monoclonaux dirigés contre des sous-unités de la COX sont également utiles au diagnostic.

Génétique des maladies mitochondriales

Tous les modes de transmission peuvent s’observer dans les maladies mitochondriales : sporadique, autosomique récessif, autosomique dominant, récessif lié à l’X ou transmission maternelle. En effet, parmi les 70 gènes codant pour les protéines de la chaîne respiratoire, la majorité sont nucléaires et obéissent en conséquence à une hérédité mendélienne classique.

Les maladies de l’ADN mitochondrial

Les altérations de l’ADNmt se répartissent en trois catégories : mutations ponctuelles, délétions et déplétions. Les mutations ponctuelles peuvent siéger soit dans des gènes codant pour des protéines de la chaîne respiratoire soit dans des gènes impliqués dans la synthèse protéique (tRNA, rRNA). La majorité de ces mutations sont hétéroplasmiques et d’hérédité maternelle, mais sont cliniquement très variables d’un individu à l’autre dans la même famille selon les proportions d’ADNmt muté hérité par chaque individu. On peut ainsi observer dans une même famille de simples migraines jusqu’à un syndrome MELAS complet. Les apparentés maternels d’un patient sont habituellement bien portants tant qu’ils n’ont pas plus de 85 % de molécules d’ADNmt mutées. Dès que ce pourcentage est dépassé, des signes cliniques se manifestent illustrant l’effet de seuil propre aux maladies de l’ADN mitochondrial.
La figure 5 regroupe les principales mutations de l’ADNmt identifiées à ce jour. Alors que les mutations MERFF, MELAS, NARP et celles du syndrome de Leigh sont fréquemment hétéroplasmiques, la mutation de l’atrophie optique de Leber est habituellement homoplasmique, tout au moins dans les leucocytes circulants.
La seconde catégorie de l’ADNmt sont les délétions du génome mitochondrial. Bien que les dimensions et la position des délétions varient d’un patient à l’autre, ces dernières englobent habituellement plusieurs ARNm, plusieurs ARNt et préservent habituellement les origines de réplication (fig. 5). Ces délétions sont habi- tuellement sporadiques, hétéroplasmiques et uniques. Il importe de souligner que la délétion dite commune (4987 bp) observée chez près de 30 % des patients présentant une délétion unique, a été décrite dans le syndrome de Pearson, dans le syndrome de Kearns-Sayre et dans des cas d’ophtalmoplégie externe progressive. Ainsi, aucune corrélation ne peut être établie entre la présentation clinique et la nature ou l’étendue d’un remaniement de l’ADNmt. Quoi qu’il en soit la constatation d’une atteinte pluriviscérale progressive doit conduire à envisager le diagnostic de remaniement de l’ADNmt et à pratiquer un Southern blot sur ADN génomique total. En effet, à la différence d’avec les mutations ponctuelles de l’ADNmt, la proportion des délétions semblent croître avec le temps, suggérant que les molécules remaniées possèdent un avantage réplicatif par rapport aux molécules normales.

Les mutations de l’ADN nucléaire

Par opposition aux nombreuses anomalies de l’ADNmt, on ne sait que peu de choses des bases moléculaires des mitochondriopathies nucléaires. Bien qu’un très grand nombre de sous-unités nucléaires de la chaîne respiratoire aient été localisées, clonées et séquencées, l’étude systématique des gènes correspondants chez les patients s’est toujours révélée négative. A ce jour, la seule mutation d’un gène nucléaire codant pour une sous-unité de la chaîne respiratoire concerne une mutation du complexe II (FDH) qui a été rapportée.

Conseil génétique

Nos connaissances concernant les mutations associées aux principales manifestations cliniques des mitochondriopathies permettent de mieux cerner le mode de transmission le plus probable : transmission maternelle des mutations ponctuelles dans l’atrophie optique de Leber ou les syndromes MERFF, MELAS ou NARP ; caractère sporadique des délétions des syndromes de Pearson ou de Kearns-Sayre ; transmission autosomique récessive des déplétions dans les grandes défaillances multiviscérales ; transmission autosomique dominante des délétions multiples dans les ophtalmolplégies externes progressives.
En cas de mutation de l’ADNmt d’hérédité maternelle, il n’y a aucun risque pour la descendance d’un homme atteint. Le risque est en revanche plus élevé pour la descendance d’une femme atteinte ou porteuse. Dans ce cas, le diagnostic prénatal sur villosités choriales ou amniocytes en culture constitue une approche préventive possible. Toutefois, cette approche est entravée par notre médiocre connaissance concernant les proportions d’ADNmt muté chez un individu ou dans un tissu donné (hétéroplasmie), la ségrégation mitotique de ces anomalies, la possible sélection contre ou en faveur de la population des molécules mutées et, enfin, les corrélations avec la sévérité de la maladie.
Les études destinées à délivrer un diagnostic prénatal ou un conseil génétique en matière de mitochondriopathie sont d’une extraordinaire difficulté dans la mesure où la proportion des molécules d’ADNmt muté peut changer durant la vie fœtale et post-natale.
Dans la majorité des cas, hélas, le mode de transmission d’une mitochondriopathie demeure inconnu. Les études, actuellement menées systématiquement à la recherche de mutations ou de microdélétions dans l’ADNmt des patients présentant un déficit de la chaîne respiratoire, permettront, nous l’espérons, d’améliorer notre conseil génétique. Les résultats préalables semblent suggérer que les mutations de l’ADNmt sont beaucoup moins fréquentes que l’on pouvait le penser auparavant, faisant donc une place plus grande à l’hérédité mendélienne. Dans la mesure où seules deux mutations de gènes nucléaires ont été décrites à ce jour (dans les déficits en SDH et dans les syndrome de Barth), on ignore encore tout de la nature et de la localisation des mutations dans les gènes nucléaires de la chaîne respiratoire. Les études systématiques des sous-unités de la cytochrome oxydase dans le déficit du complexe IV se sont, à ce jour, toutes soldées par des échecs.
Dans ce contexte, la seule approche prénatale possible réside dans la mesure de l’activité des enzymes de la chaîne respiratoire dans les amniocytes en cultures, à condition que ces cultures soient faites en présence d’uridine. Hélas, pas plus de 50 % des enzymopathies de la chaîne respiratoire sont exprimées dans les cultures de fibroblastes et sont donc accessibles à un diagnostic prénatal par enzymologie traditionnelle.

Fig.5.-Mutations ponctuelles
et délétions de l'ADNmt.

Conclusion

Les déficits de la chaîne respiratoire sont les maladies métaboliques les plus fréquentes chez l'homme. Cela est dû au grand nombre de gènes impliqués dans la phosphorylation oxydative. La reconnaissance de la grande diversité des phénotypes associés aux déficits de la chaîne respiratoire a permis d'améliorer le diagnostic de ces maladies. Cependant, si un nombre croissant de mutations de l'ADNmt sont identifiées, les mutations touchant les gènes nucléaires de la chaîne respiratoire sont encore extrêmement rares. Pourtant, elles devraient rendre compte de la majorité des maladies mitochondriales, car treize de la centaine de protéines de la chaîne respiratoire seulement sont codées par l’ADNmt. L'identification des mutations de l'ADNmt et des gènes nucléaires de la chaîne respiratoire facilitera grandement le conseil génétique et surtout l'approche thérapeutique de ces maladies sévères et complexes.

Agnès RÖTIG
Chercheur à l’INSERM
Conférence présentée le 21 mars 1998 au Palais de la découverte

Après un thèse de biologie et physiologie végétales sur la « composition polypeptidique des mitochondries végétales et caractérisation des NADH déshydrogénases » présentée en 1987 à l'université Pierre-et-Marie-Curie, Agnès Rötig a effectué un stage post-doctoral en génétique moléculaire des déficits énergétiques de l'enfant à l'INSERM.Actuellement chargée de recherche à l'INSERM, son activité se porte sur les bases moléculaires des cytopathies mitochondriales.

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Glossaire

ATP (adénosine triphosphate)
Molécule qui contient de l’énergie sous forme chimique. L’ATP est formé, dans les organismes vivants, par phosphorylation de l’ADP (adénosine diphosphate) : ADP + P ––> ATP (Retour)

ß-oxydation des acides gras
Voie de dégradation des acides gras (Retour)

Co-enzyme
C’est une molécule organique, de petite taille par rapport à la protéine enzymatique, nécessaire à l’action catalytique de l’enzyme.

Cycle de Krebs
Voie de dégradation des structures carbonées.Situé à un carrefour des métabolismes glucidique, lipidique et protéique, le cycle de Krebs permet l’oxydation complète, en CO2 + H2O, du glucose, des acides gras, de nombreux acides aminés. (Retour)

Cycle de l’urée
Voie de dégradation des acides aminés. (Retour)

Déficits en SDH
Anomalie du complexe II de la chaîne respiratoire. (Retour)

Délétion
Absence d’une partie de l’ADN. (Retour)

Déplétion
Diminution du nombre de molécules d’ADN. (Retour)

FAD, FADH
Le FAD, ou flavine-adénine-dinucléotide, est le co-enzyme de déshydrogénases. (Retour)

Génome
Ensemble du matériel génétique (Retour)

Génome mitochondrial
Ensemble du matériel génétique contenu dans la mitochondrie. (Retour)

Intron
Portion de gène non codante. (Retour)

Maladie de Leber
Cécité bilatérale due à une atrophie du nerf optique.

Mitochondrie
Organite intracellulaire, en forme de bâtonnet. La mitochondrie est le lieu de production de l’énergie nécessaire au fonctionnement des cellules. Un ensemble de protéines constituant la chaîne respiratoire produit cette énergie. (Retour)

Mutation MERFF
Myopathie et atteinte neurologique avec anomalie du muscle à l’examen microscopique.

Mutation ponctuelle
Changement d’une paire de bases par une autre au niveau de l’ADN

Myopathie mitochondriale
Détérioration des muscles se manifestant par une grande faiblesse à l’effort.(Retour)

NAD, NADH
Le NAD, ou nicotinamide-adénine-dinucléotide, est le co-enzyme de diverses déshydrogénases. Il fixe l’hydrogène venant d’un substrat AH2 et se transforme en NADH + H+

AH2 --------------> A
Substrat A réduit Substrat A oxydé

Déshydrogénase

NAD+ --------------> NADH + H+
(Retour)

Phosphorylation oxydative
Réactions couplées entre oxydation et phosphorylation (de l’ADP en ATP). (Retour)

Southern-blot
Technique d’analyse de l’ADN qui utilise des sondes d’ADN marquées radioactivement. (Retour)

Syndrome de Barth
Myopathie du muscle cardiaque et abaissement des plaquettes sanguines. (Retour)

Syndrome de Kears-Sayre
Paralysie des muscles oculaires et myopathie, associée à des troubles tels que détérioration de la rétine, maladie cardiaque, surdité, diabète et insuffisance rénale.

Syndrome de Leigh
Perte progressive des capacités motrices et verbales et dégénérescence des noyaux gris centraux (région du cerveau essentiel à la coordination des mouvements). (Retour)

Syndrome MELAS
Dysfonctionnement du tissu cérébral, entraînant des crises d’épilepsie, des paralysies locales temporaires et une démence, associé à une myopathie mitochondriale et une acidose du sang. (Retour)

Syndrome NARP
Perte de la force et de la coordination musculaire associée à une dégénérescence cérébrale locale et une détérioration de la rétine. (Retour)

Syndrome de Pearson
Syndrome associant une anémie et une insuffisance pancréatique. (Retour)

Système hématopoïétique
Système de formation des cellules sanguines. (Retour)

Uridine
Nucléoside résultant de la liaison d’une base azotée, l’uracile, avec un ose, le ribose.
Base-Pentose = Nucléoside
Uracile-Ribose = Uridine (Retour)

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